飛燕式異型鋼管砼拱橋鋼箱掛梁支座脫空相關問題研究

彭 亮 徐井全

飛燕式異型鋼管砼拱橋鋼箱掛梁支座脫空相關問題研究

彭 亮1徐井全2

（1.上海同豐工程咨詢有限公司，上海 200444；2.長春高新人才勞務開發有限公司，吉林 長春 130000）

本文以某座飛燕式異型鋼管砼拱橋鋼箱掛梁的異常晃動為背景，通過鋼箱掛梁支座靜壓試驗和吊桿索力實測結果判斷鋼箱掛梁支座（設計為拉壓球型支座）已脫空，并以吊桿索力實測值作為成橋目標索力進行施工階段有限元仿真分析，結果表明施工過程支座拉力遠未超過支座的承拉力，不可能受拉破壞，應是支座型號不符合設計要求，未采用拉壓型支座或者支座承拉力不滿足橋梁正常運營要求。針對此問題，提出的兩種處置方案并結合有限元仿真分析得出相應的合理成橋狀態，分析結果表明，“將支座作為僅受壓型支座使用”時鋼箱掛梁線形下凹，嚴重偏離設計線形，而須將其更換為拉壓球型支座，支座的承拉力應高于設計值。

飛燕式異型鋼管砼拱橋；鋼箱掛梁晃動；支座靜壓試驗；成橋狀態

1 工程概況

飛燕式鋼管混凝土拱橋屬于自平衡中承式拱橋，一般設計成用系桿平衡水平推力的帶懸臂半孔的無推力或部分推力拱，其兩邊跨為半跨懸臂上承式拱、中跨為中承式鋼管混凝土拱，通過錨固于兩邊跨端部的系桿來平衡主跨水平推力[1]，如廣東南海三山西大橋、廣州丫髻沙大橋、東莞水道特大橋[2]等。

某座三跨飛燕式異型鋼管混凝土拱橋跨徑組合為51m＋158m＋51m，橋面總寬為40.0m，橫向布置為：2.5m（人行道）+15.0m（車行道）+0.5m（防撞護欄）+4.0m（拱肋區、中央分隔帶）+0.5m（防撞護欄）+15.0m（車行道）+2.5m（人行道）。兩邊跨為半懸臂上承式拱，中跨為中承式拱（鋼管砼拱肋由主拱肋和穩定拱肋組成）。主拱的定位軸線為豎直平面上的二次拋物線，矢跨比1/4.23，其截面由三根鋼管通過拉板連接而成的三角形截面；穩定拱共兩根，其軸線均為二次拋物線。“飛燕式”拱肋部分采用預應力混凝土箱型結構，兩端均與主梁固結。主梁采用預應力混凝土箱梁+鋼箱掛梁，鋼箱梁長110.8m，以簡支的形式支撐于混凝土箱梁牛腿上，支座為拉壓球型支座，其型號為LYQZ8000/1600DX。主拱共設16根吊桿（編號由東向西N/S1#~16#），均布置在鋼箱掛梁范圍內，吊桿規格PES(FD)7-61，縱橋向間距6m，同一斷面橫橋向布置兩根吊桿，吊桿兩端分別錨固于主梁鋼錨箱和主拱拱肋內，主梁端為張拉端，橫橋向間距4.4m，主拱端為固定端，橫橋向間距0.7m。全橋共設置6根水平系桿，索體規格為PES(FD)7-199，系桿布置于中央分隔帶區域橋面上，兩端錨固于邊跨端橫梁上[3]。橋型布置及鋼箱掛梁支撐體系平面圖見圖1，橋梁施工步驟見表1。

表1 施工步驟劃分

2 鋼箱掛梁晃動分析

該橋中跨為鋼箱掛梁，車輛通過時，受結構形式影響，其鋼箱掛梁兩端上下晃動明顯，加上支座位置間隙過小，無法近距離檢查支座是否脫空。檢測時通過采用鋼箱掛梁兩端支座靜壓試驗并結合吊桿索力來綜合判斷支座是否脫空，同時，運用有限元軟件分析橋梁現階段工況下鋼箱掛梁的支座反力，驗證支座靜壓試驗結果。

2.1 支座靜壓試驗和吊桿索力分析

靜壓試驗采用6輛重約35t加載車分兩個工況（中載）分別壓于鋼箱掛梁東、西兩端支座正上方，測試鋼箱掛梁與混凝土箱梁的相對豎向位移來判斷支座是否脫空。由表2可知除西端南側支座處鋼箱掛梁上撓外，其余位置均下撓，最大下撓量8.62mm，表明支座已處于脫空狀態。西端南側支座上撓是由于西端3個支座脫空量差別較大，加載后鋼箱掛梁整體偏轉所致。

吊桿索力采用頻率法進行測試，由表3可知所有吊桿力之和比鋼箱掛梁總重大約2%，表明在恒載工況下鋼箱掛梁幾乎處于懸空狀態，兩端支座將出現拉力，結合支座靜壓試驗結果可知，鋼箱掛梁支座已不具備抗拉承載能力。

當前索力條件下鋼箱掛梁橋面實際線形基本滿足設計線形，跨中與梁端相對高差設計值為+307mm，實測值為+265mm（“+、-”分別表示鋼箱梁線形上拱、下凹）。

注：“+、—”分別表示梁上、下撓，豎向位移已考慮支座壓縮變形。

表3 吊桿索力實測結果（kN）

注：“N、S”分別表示北、南側吊桿，由東向西依次編號。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2.2 有限元仿真計算分析

2.2.1有限元模型的建立

采用MIDAS/CIVIL建立施工階段仿真分析的三維有限元模型。主拱、穩定拱、風撐、主梁、V腿、樁基采用空間梁單元模擬，拱座采用實體單元，吊桿、系桿采用桁架單元模擬。有限元計算模型如圖2所示。

模型的邊界條件：主墩樁基礎考慮樁土效應后樁長折減，樁底固結，邊跨混凝土箱梁梁端簡支，中跨鋼箱掛孔兩端簡支并能承受拉力。

模型的計算荷載：自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載等，成橋階段吊桿索力按實測恒載索力考慮。

施工階段劃分原則：按照表1的施工步驟劃分施工階段；以實測吊桿索力作為CS7成橋階段目標索力進行正裝分析；吊桿張拉在CS5階段已完成。

圖2 空間有限元分析模型

2.2.2仿真計算結果

以實測吊桿索力作為成橋階段CS7的目標索力可確定吊桿張拉施工階段CS5的結構內力狀態，得到CS5、CS7階段鋼箱掛梁支座反力計算結果，詳見表4。由表4可知CS7階段支座基本處于拉壓臨界狀態，支座拉力遠小于其承拉力1600kN（支座型號—拉壓球型支座LYQZ8000/1600DX），CS5階段支座均處于受拉狀態，支座拉力最大為638kN，約為其承拉力的40%，富余量充足。

參考表1中的施工步驟，CS5階段時吊桿已張拉到位，此階段為支座受拉最不利施工階段，支座承拉力富余量約60%，不會因受拉而破壞。

綜合上述支座靜壓試驗結果、吊桿索力測試結果并結合有限元仿真分析結果可推斷，鋼箱掛梁支座脫空不是直接由吊桿張拉過大引起的，應是支座型號不符合設計要求，未采用拉壓型支座或者承拉力不滿足橋梁正常運營要求。

表4 仿真分析結果（kN）

注：“+”表示支座受壓，“-”表示支座受拉。

3 處置方案

鋼箱掛梁運營期間上下明顯晃動對吊桿的使用安全極為不利，極大的增加了高應力狀態下吊桿疲勞破壞的風險。本文中提出以下兩種處置方法（方案一：保留支座，僅作為受壓支座使用；方案二：更換為拉壓型支座），通過有限元仿真分析，驗證其調索后成橋狀態的可行性。

3.1 保留支座，僅作為受壓支座使用

確保支座受壓功能正常情況下，通過吊桿索力的調整，恢復鋼箱掛梁支座支撐功能。

重新調索后成橋狀態目標：（1）標準荷載組合（1.0恒載+1.0活載）下支座不脫空；（2）鋼箱掛梁線形偏離設計線形小；（3）吊桿索力均勻。

依據上述目標初擬的成橋狀態，其吊桿索力、支座反力結果見表5，索力調整后鋼箱掛梁跨中截面位移下降402mm。

表5 成橋狀態恒載工況下吊桿索力和支座反力（kN）

注：支座反力中“+”表示支座受壓，“-”表示支座受拉。

由表5可知，當前索力條件下，恒活載最不利工況時所有支座均處于受壓狀態，但鋼箱掛梁跨中下撓402mm，下撓量已超過實測線形跨中截面上拱量265mm，此時鋼箱梁線形已下凹，嚴重偏離設計狀態。

3.2 更換為拉壓型支座

原有支座更換為滿足原設計要求的拉壓球型支座（LYQZ8000/1600DX），更換完成后重新調索后成橋狀態目標：（1）標準荷載組合（1.0恒載+1.0活載）下支座拉力不超過承拉力1600kN；（2）鋼箱掛梁線形偏離設計線形小；（3）吊桿索力均勻。

依據上述目標初擬的成橋狀態，其吊桿索力、支座反力結果見表6，索力調整后鋼箱掛梁跨中截面位移下降45mm。

表6 成橋狀態恒載工況下吊桿索力和支座反力（kN）

注：支座反力中“+”表示支座受壓，“-”表示支座受拉。

由表6可知，當前索力條件下，恒活載最不利工況時所有支座拉力均未超過承拉力1600kN，鋼箱掛梁跨中下撓45mm，考慮此下撓量后跨中截面上拱量仍有225mm（設計值307mm），此時鋼箱梁線形低于設計線形，但基本滿足使用要求。

顯然，支座的承拉力越高，通過調整成橋索力可使鋼箱掛梁成橋線形更加符合設計線形，結構受力更加合理。

4 結論

（1）通過鋼箱掛梁支座靜壓試驗和吊桿索力實測結果判斷鋼箱掛梁支座（設計為拉壓球型支座）已脫空，并以吊桿索力實測值作為成橋目標索力進行施工階段有限元仿真分析，其分析結果表明施工過程支座拉力遠未超過支座的承拉力，不可能受拉破壞，應是支座型號不符合設計要求，未采用拉壓型支座或者支座承拉力不滿足橋梁正常運營要求[4-5]。

（2）針對鋼箱掛梁支座脫空，提出兩種處置方案并結合有限元仿真分析得出相應的合理成橋狀態，分析結果表明，“將支座作為僅受壓型支座使用”時鋼箱掛梁線形下凹，嚴重偏離設計線形，而須將其更換為滿足設計要求的拉壓球型支座。

（3）為使成橋線形更加符合設計線形，結構受力更加合理，更換后的拉壓球型支座承拉力應適當提高，并確保最不利工況時仍有一定富余量。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]鄭懷穎.飛鳥式鋼管混凝土拱橋受力特性研究[D].福州大學,2005.

[3]王生武,李澤東,任偉新.一座飛燕式系桿拱橋的有限元模型修正[J].中外公路.2020,40(06)：201-207.

[4]嚴晶,文浩齊,劉博楠.大跨度飛燕式系桿拱橋樁基礎施工工法研究——以合江長江公路大橋為例[J].土工基礎.2020,34(04):434-437+441.

[5]張磊,張振偉.飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋穩定性分析[J].低溫建筑技術.2020,42(02):80-83.

彭亮（1986.10- ），男，漢，籍貫：湖南省長沙市，職稱：中級工程師，學歷：碩士，單位：上海同豐工程咨詢有限公司，研究方向：橋梁檢測技術工作；徐井全 （1979.6- ）， 男，漢族，籍貫：吉林省德惠市，職稱：高級工程師，學歷：本科，單位：長春高新人才勞務開發有限公司，研究方向：工程項目建設、管理工作。

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